继电保护作业

基于单片机35KV微机继电线路保护系统ABSTRACT:As the foundation of electricity system’s safely and reliable running,the power protection system also plays an important role in power grid, electricity quality, national economy, etc. The relay protection testing device carries on simulation and testing functions upon relay protection system of power protection system according with international and national standards, and then its quality and performance has a direct influence on results of simulation and testing.Keywords：Microcomputer Relay Protection Device； Microcontroller；ADS，Embedded System摘要：随着电力工业的发展和电力市场的提出，继电保护装置是电力系统中不可或缺的一部分。

继电保护装置是指利用被保护线路或设备故障前后某些突变的物理量为信息量，反应电力系统中电气元件发生故障或不正常运行状态时动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。

电力系统要求继电保护具有选择性、速动性、灵敏性和可靠性的基本要求。

与传统的继电保护相比较，微机继电保护有更大优势，继电保护装置的微机化是不可逆转的发展趋势。

微机继电保护指的是以数字式计算机（包括微型机）为基础而构成的继电保护系统，数字式继电保护系统相比于传统的保护系统可靠性更高，保护部分和滤波部分是可编程的软件，因此，移植性更好，更灵活。

本文采用的是基于STC5410系列单片机的系统，价格成本更低，作为线路保护的后备保护，可靠性,灵敏性都能达到要求，单片机上自带AD 转换器，使硬件设计更节省空间，体积更小，抗干扰性更强，缺点是：相比DSP系统，速度不是很高，10位AD转换器分辨率较低。

1 绪论电力工业的发展和继电保护相关科学技术的进步都给微机继电保装置的研制提出了前所未有的机遇与挑战。

本文在借鉴国内外微机继电护发展的成功经验基础之上，探讨了新型机继电保护硬件方案的研制。

本文的主要内容包括以下个方面: 保护对象：本文主要探讨了对35KV以下线路的三段式电流保护，即无时限电流速断保护，带时限电流速度按保护和过电流速断保护。

微机电流保护与传统过电流保护装置相比可靠性更高，反应速度更快，灵敏性更好，可移植性更强，价格相当。

硬件原理图，微机继电保护装置于传统的继电保护外部接线方式相似，但内部接线方式微机保护相对比较复杂，本文主要介绍了现象通道接法，和单片机外围电路的接线。

本文探讨了微机保护的数字滤波算法和保护算法。

算法是传统继电保护与微机继电保护的有一大区别。

有了算法，微机继电保护可移植性更强。

只需改改程序就可以在另外一个线路上，非常方便。

2 继电保护的硬件设计方案本文的硬件设计方案包括两部分，即前向通道部分（图1）和片上部分（图2）。

2.1前向通道前向通道部分包括分别从母线上引出的电流互感器，电流互感器的变比是300：5本装置的继电保护接法采用不完全星形接法，只需接A，C两项即可，电流互感器串联在母线上，引出的另外两个端子再接一个电流变换器，接电流变换器的作用既能改变二次侧电流，又能与一次侧电气隔离，电流变换器的变比也是300：5。

电流变换器后接滤波电容，通过两个端子引到片上系统。

2.2 片上系统片上系统（图2）包括4部分：MCU部分，键盘输入部分，显示部分还有输出部分。

其中MCU部分是片上系统的心脏，前端通道过来的模拟信号接入P1.0、P1.1后转换成数字信号，然后进行数字滤波和计算，来判断是否跳闸。

键盘的是系统的输入部分，用来输入一段、二段、三段的整流值。

显示器的作用主要是在调试的时候显示操作指示，在保护模式显示母线中的电流，起到监视的作用。

输出部分就是继电器部分，如果线路中发生短路，MCU计算后超过整定值继而动作。

这种硬件设计具有以下优点：(1)结构简单，由于AD转换器集成到芯片内部，所以就省去了专用的AD转换芯片、模拟开关、还有包此电路部分。

（2）成本低廉，抗干扰能力强。

单片机价格相比于DSP芯片价格非常便宜，加上片上集成AD芯片，不仅价格更实惠，抗干扰能力同样也增强。

（图1）图（2）3 微机继电保护的算法本章着重讨论微机继电保护的算法。

由于在微机继电保护中，CPU 是通过软件对采样序列进行分析、运算和判断，实现故障量的测量及各种继电保护的功能的，因此，寻找适当的离散运算方法，使运算结果的精确度在能够满足工程要求的同时计算耗时尽可能短，以达到既判断准确又满足速动性和可靠性要求，这是继电保护研究中的基本问题。

2.1保护算法采用两点乘积算法两点乘积算法主要是利用两个采样点来计算电流值的方法，由于这种方法只是利用两个采样值推算出整个曲线的情况，所以属于曲线拟合法。

其特点是计算的判定时间较短。

本文是电流采样，首先转化为电压值，且电压和电流同相位。

设u 1和u 2分别是两个相隔π/2时刻的采样值，即u u n m U t U u 101sin 2)sin(θαω=+=un n m U t U u 102cos 2)2sin(θπαω=++=式中u 1θ为n t 采样时刻电压的相角，u n u t 01αϖθ+=，可能为任意值。

将两式平方后相加，即得222122u u U += 得22221u u U +=从而求得电流有效值。

（2）滤波算法采用加法滤波器和减法滤波器的级联加法滤波器加法滤波器的差分方程为 y(n)=x(n)+x(n-k) 将上式进行Z 变换，得 H(z)=1+kz - 其幅频特征为 |H(sT j eω)|=2|cos2sT k ω|假定要消去m 次谐波，与减法滤波器中的推导方法相同，将1ωωm =代入，使2cos|2|)(|sjwT T k e H s ω= 假定要消去m 次谐波，将1ωωm =代入，使0|)(|=s T j e H ω，得πω)12(1+=p T km s,.....2,1,0=p所以mNp mf f p k s 2)12(2)21(1+=+=若给出k 参数，可求滤波的谐波次数kN p m 2)12(+=减法滤波器减法滤波器是最常用的滤波器，其差分方程为)()()(k n x n x n y --=式中，k 为差分步长，1≥k ,可根据不同的滤波要求进行选择。

将上式进行Z 变换，得：)1)(()(k z z X z Y --=其转移函数为 ：k z z X z Y z H --==1)()()( 将sT j ez ω=代入上式，得其幅值特征为：2sin|2|1||)(|sT j T j T k e e H s s ωωω=-=- 式中，ω为输入信号的角频率，f πω2=，s T 为采样周期，与采样频率s f 的关系为ss T f 1=。

通常要求s f 为基波频率1f 的整数倍，即1Nf f s =，为每基频周期采样的点数。

在使用减法滤波器时，应根据欲消除的谐波此时m ，来确定参数k 的值（即滤波阶数）。

应当使1ωωm = 1(ω为基波角频率，)211f πω=时：0|2sin2|)(|==sjwT T k e H s ω 即：0|22sin|21=sf mf k π 则有：ππp mT f k s =1 ....2,1,0=p所以：mN p kf pf f mT p ks s ===11若已知k 的值，便可求出滤波的谐波次数为：kN p kf pf f kT p m f f s s ====111 4程序流程图5 CPU选型近年来，处理器市场一片繁荣，在高端方面，嵌入式的ARM和DSP各领千秋，在低端市场，单片机凭借其价格优势仍大受青睐，而且其处理速度不断加快，加之片上集成AD，PWM 使之更具有竞争力。

以下是STC12C5410AD 单片机优点：（1）加密性强，无法解密。

（2）超强抗干扰。

（3）超低功耗（4）指令完全兼容8051学习方便。

参考文献【1】于群，曹娜电力系统微机继电保护，机械工业出版社【2】刘学军，继电保护原理（第二版），中国电力出版社【3】STC12C5410AD系列单片机应用手册【4】薛永强，新型微机继电保护硬件设计(论文)【5】曹宇，基于DSP的微机继电保护模板的设计与开发，（论文）附录：继电保护软件部分#include<reg52.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit TIMER_0=P3^4;//调试端口sbit TIMER_1=P3^5;//一段，二段，三段来回切换sbit INT_0=P3^2;//整定电流加1sbit INT_1=P3^3;//整定电流减1sbit rs=P1^5;//写数据命令sbit en=P1^4;//液晶使能sfr WDT_CONTR=0XE1;sfr TMOD=0X89;sfr TCON=0X88;sfr P1M0=0X91;sfr P1M1=0X92;sfr TCON=0X88;sfr TMOD=0X89;sfr TL0=0X8A;sfr TH0=0X8C;sfr TL1=0X8B;sfr TH1=0X8D;sfr IE=0XA8;sfr ADC_CONTR=0XC5;sfr ADC_DATA=0XC6;sfr ADC_LOW2=0XBE;P1M0=0X03;P1M1=0X00;void delay(uchr xms){uint i,j;for(i=xms;i>0;i--)for(j=110;j>0;j--)}void init()//液晶初始化{en=0;//write_com(0x38);//设置16*2显示，5*7点阵，8位数据接口write_com(0x0c);//设置开显示，不显示光标write_com(0x06);//写一个字符后，地址指针加1write_com(0x01);//显示清0，数据指针清0}void lcd_com(uchar com) //写命令{rs=0;en=0;P0=com;en=1;delay(3);en=0;}void write_date(uchar date)//写数据{rs=1;en=0;P0=date;delay(3);en=1;delay(3);en=0;}void adc0(uint result0){uint tresulth8,judge,result;uchar tresultl2;ADC_CONTR=0XE8;//ADC_CONTR初始化judge=0x08;judge=judge&ADC_CONTR;while(judge==0)//是否转换完成{tresuleh8=ADC_DATA;//高8位数值tresultl2=ADC_LOW2;//低2位数值tresuleh8=tresulth8<<2;result0=tresulth8+tresultl2;//转换后结果ADC_CONTR=ADC_CONTR&0XEF;//转换后ADC_FLAG置0}}void adc1(uint result1){uint tresulth8,judge,result;uchar tresultl2;ADC_CONTR=0XE9;//ADC_CONTR初始化judge=0x08;judge=judge&ADC_CONTR;while(judge==0)//是否转换完成{tresuleh8=ADC_DATA;//高8位数值tresultl2=ADC_LOW2;//低2位数值tresuleh8=tresulth8<<2;result1=tresulth8+tresultl2;//转换后结果ADC_CONTR=ADC_CONTR&0XEF;//转换后ADC_FLAG置0}}void outset(){P2=0X00;//吧P2.0口电压拉低P2MO=0X00;//P2M1=0X03;//设置P2.0，P2.1口为推免输出}void init(){TMOD=0x01;TH0=252;TL0=133;//定时0.833msEA=1;ET0=1;TR0=1;}void T0_time() interrupt 1{TMOD=0x01;TH0=252;TL0=133uint a[13],b[13],r,n;a[0]=adc0(uint result0);//采集A相第一个数a[n]=a[n+1];b[n]=a[n+12]-a[n];n++;while(n==12){a[12]==0;}if(b[n+3]*b[n+3]+b[n]*b[n]>1173*1173) {p2=0x01;}if(b[n+3]*b[n+3]+b[n]*b[n]>254*254){delay(500);p2=0x01;}if(b[n+3]*b[n+3]+b[n]*b[n]>109*109){delay(500);p2=0x01;}}void tiaoshi(){init();write_com(0x80);for(num=0;num<11:num++) {write_date("yiduan="m1);delay(5);}delay(1000);init();write_com(0x80);for(num=0;num<11:num++) {write_date("erduan="m2);delay(5);}delay(1000);init();write_com(0x80);for(num=0;num<13:num++) {write_date("sanduan="m3);delay(5);}while(TIMER1==0){delay(10);if(TIMER==0){while(TIMER1!);m0++;}if(m0%3==0){tiaoshiyiduan();}else if(m0%3==1){tiaoshierduan();}else{tiaoshisanduan();}}}void tiaoshiyiduan(){while(INT_0==0){delay(10);if(INT_0==0){while(INT_0!);m1++;write_(0x80);for(num=0;num<11;num++){write_date("yiduan="m1);delay(5);}}}while(INT_1==0){delay(10);if(INT_1==0){while(INT_1!);m1--;write_(0x80);for(num=0;num<11;num++){write_date("yiduan="m1);delay(5);}}}}void tiaoshierduan(){while(INT_0==0){delay(10);if(INT_0==0){while(INT_0!);m1++;write_(0x80);for(num=0;num<11;num++){write_date("erduan="m2);delay(5);}}}while(INT_1==0){delay(10);if(INT_1==0){while(INT_1!);m1--;write_(0x80);for(num=0;num<11;num++){write_date("erduan="m2);delay(5);}}}}void tiaoshisanduan(){while(INT_0==0){delay(10);if(INT_0==0){while(INT_0!);m1++;write_(0x80);for(num=0;num<12;num++){ write_date("sanduan="m3);delay(5);}}}while(INT_1==0){delay(10);if(INT_1==0){while(INT_1!);m1--;write_(0x80);for(num=0;num<12;num++){write_date("sanduan="m3);delay(5);}}}}void main(){uint n=0;WDT_CONTR=0X3C;char m0,m1,m2,m3,num;m0=0;m1=1173;m2=254;m3=109;if(TIMER_0==0){delay(10);if(TIMER_0==0){tiaoshi();}else{decide();}else{decide();}WDT_CONTR=0X3C; //喂狗}。